E型鋼阻尼器及其在橋梁工程中的應用

李世珩，陳彥北，胡宇新，郭紅鋒

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

我國位于世界上兩大地震帶——環太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，是全球大陸區域中最活躍的地震區之一[1]，因地震災害造成了巨大的危害，特別是由于基礎設施橋梁結構的破壞，切斷了震區生命線，次生災害十分嚴重，導致了巨大的經濟損失和人員傷亡。目前，我國鐵路、公路及市政工程建設迅速發展，而其中橋梁是生命線工程，橋梁結構在地震作用后能夠保持暢通具有特別重要的意義，因此，如何建立一種安全經濟的橋梁結構，從而可以有效抵御某種程度的、不可預測的、災難性的大地震，近年來備受重視[2-7]。

提高橋梁抗震性能的方法可分為兩種[2，3，8]:①通過提高橋墩的配筋量或增大截面積來提高橋梁的抗震能力;②采用隔震裝置延長橋梁結構基本周期，以降低橋梁上部結構的地震響應并使用減震耗能裝置將位移控制在一定范圍內，從而達到既降低橋梁墩臺的彎矩和剪力，又不影響橋梁的正常使用的目的。在第一種方法中，在增加了截面抗力的同時，往往也增加了結構自重從而加大結構的地震反應，造成惡性循環，特別是對于高烈度區，非常不經濟，而從經濟和時效角度來看，選擇在橋梁與墩臺連接處安裝減震耗能的阻尼裝置，更易于達到保護橋梁結構在地震后正常使用的目的。

表1是對目前國際上常用的三種不同類型阻尼器性能特點的比較。通過表1的比較可知，鋼阻尼器具有制造簡單、阻尼效果好、成本低、易于維護等特點，因此在歐美、日本、新西蘭、臺灣地區等得到了較多應用[9]。鋼阻尼器存在多種結構形式，目前的鋼阻尼器多應用于建筑結構，難以滿足橋梁結構的減震需求。鋼阻尼器在應用于橋梁結構中時，既需要其有穩定的阻尼性能，又需要有良好的結構形式，便于和支座組合使用，且安裝方便易于更換。依據國外成功經驗[10-11]及意大利Alga公司的先進設計理念設計的E型鋼阻尼器就較好地滿足了橋梁工程耗能減震對于鋼阻尼器的要求，并于2008年在南京江心洲夾江大橋中實現了國內的首次使用。圖1給出了E型鋼阻尼裝置的現場照片，其中E型鋼阻尼支座為常規支座(盆式橡膠支座、球型鋼支座等)與E型鋼阻尼器的結合使用，通常情況下起常規支座的功能，地震到來時則起到耗能減震的作用，E型鋼阻尼裝置則是E型鋼和連接裝置配合使用，僅在地震時起阻尼作用。

表1 三種常見阻尼器的比較

本文將對于E型鋼阻尼器的阻尼特性、設計原則、應用范圍進行探討，并給出近年來其在國內外橋梁工程中的應用實例，可以認為，E型鋼阻尼器不但有著良好的耗能減震作用，也非常適合于在橋梁工程中進一步推廣使用，有著廣闊的應用前景。

圖1 應用于南京江心洲夾江大橋的E型鋼阻尼裝置

1 E型鋼阻尼器的工作原理和設計原則

1.1 工作原理

E型鋼阻尼元件是E型鋼阻尼裝置中最核心的部件，因為該阻尼元件的平面形狀和英文字母E非常相似，因此將該阻尼元件制作的阻尼裝置命名為E型鋼阻尼器或E型鋼阻尼裝置，其平面形狀見圖2，圖中相關設計參數的含義如下:S為E型鋼阻尼元件的厚度;b為E型鋼阻尼元件直段的寬度;h為E型鋼阻尼元件的力臂長;b1為中間臂平均寬度;b2為側臂平均寬度;l為E型鋼阻尼元件直段長度。

工作時，中臂和側臂之間發生相對位移，在橫臂部位便會產生彎曲變形，而鋼材在屈服后有良好的塑性性能，通過對鋼板形狀的優化設計，E型鋼阻尼元件能允許在大部分體積中進行塑性變形的擴展，同時防止局部變形和應力集中。

圖2 E型鋼阻尼元件結構示意

目前實際工程中的鋼阻尼器多采用軟鋼，因為一般情況下屈服點越低的鋼材其塑性越好，但是在滿足實際工況(主要是位移)的情況下，使用屈服點稍高且塑性較好的鋼材，在達到同樣阻尼力的情況下可以大大節約材料成本，并且同樣具有穩定的滯回特性和良好的低周疲勞特性。

1.2 設計原則和方法

E型鋼平面形狀的設計原則和依據可以分為兩種:一種是采用理論簡化的公式設計方法，在這種方法中，E型鋼阻尼元件可簡化為側臂鉸支、中臂簡支的梁模型，然后采用結構力學的方法進行求解[11];另一種是采用有限元法進行數值仿真，這種方法能夠仿真得到E型鋼阻尼裝置全過程的全場解。

1.2.1 簡化公式設計計算

使用結構力學方法求解過程中忽略軸力的影響，并且將鋼材視為理想彈塑性材料，即鋼材在屈服后不發生強化，其結構力學計算簡化模型見圖3，圖中F為作用于E型鋼阻尼元件的集中力，h為E型鋼阻尼元件的力臂長。

圖3 E型鋼阻尼元件結構力學簡化圖及彎矩圖

根據簡單的結構力學分析，具體過程可參閱相關文獻[11]，可以得到E型鋼的屈服位移 dy與材料屈服應變εy之間的關系為

式中，dy表示阻尼元件的屈服位移;εy表示材料的屈服應變，與材料的特性有關。

E型鋼的最大位移 dmax與材料的最大應變 εmax之間的關系為

式中，dmax為最大位移;εmax為材料的最大應變，與材料的特性有關。

1.2.2 有限元分析

以上為設計中的簡算方法，進行了較多簡化，與實際情況會有較大差別，比如:鋼材屈服后開始發生塑性變形直至拉斷的過程中材料強度有較大的強化，例如對于Q345B鋼其屈服點約為340 MPa，而其抗拉強度可以高達620 MPa，其屈服點提高了約80%;E型鋼阻尼器在使用中往往有較大的變形，比如中臂長度為300 mm左右的阻尼器，其設計位移量往往高達150 mm，是個典型的大變形問題。因此，上述方法只能用于初步設計。彈塑性問題屬于典型的材料非線性問題，在有限元法中，可以采用帶有強化本構的彈塑性理論來處理，從而準確模擬材料進入塑性以后的情況。另外，有限元法在數學上屬于初始邊值問題，可將待求解的問題分解為許多子步，從初始條件和邊界條件出發逐步求解，能夠得到大變形問題的準確求解。

在內蒙古大城西黃河橋E型鋼阻尼元件設計中，就首先采用了結構力學的簡算公式進行初步設計，然后采用有限元法進行優化設計并確定最終方案。有限元計算采用Abaqus軟件進行，實體模型采用C3D8R單元，每個阻尼器劃分17 350個單元，有限元網格圖見圖4(a)。在達到設計位移時，有限元仿真計算得到的等效應力云圖和等效塑性應變云圖分別如圖4(b)和圖4(d)所示。由圖可見，E型鋼在達到設計位移時，大部分區域都發生了塑性變形，應力分布比較均勻，因此其擁有較好的塑性變形耗能能力。圖4中A處和B處分別為應力最大處和應變最大處，圖4(c)中給出了在極限位移測試中的破壞位置的照片，可見有限元計算的預測破壞位置同試驗的結果非常吻合。另外，采用有限元法還能夠很好地預測在荷載—位移試驗中的滯回過程，圖5給出了有限元法仿真得到的和試驗得到的滯回曲線的比較，可見結果符合較好。因此，采用有限元法不但可以準確預測E型鋼阻尼的力學性能參數，還能準確模擬其在荷載—位移試驗中的滯回過程。

圖4 E型鋼阻尼器的有限元計算結果及試驗

圖5 E型鋼阻尼器的有限元計算及試驗滯回曲線比較

1.3 試驗方法及阻尼特性

圖6 一種E型鋼阻尼元件的試驗工裝

為了保證E型鋼阻尼元件的阻尼性能以及在地震工況下的安全可靠性能，需要進行相關的性能測試。被測試件一般需按真實比例制作，并且往往成對兒組裝。圖6給出了一種專用試驗工裝，其中側臂與下部結構固定在一起，中臂與上部結構相連并被往復施加位移荷載。試驗中一般采用位移控制，載荷一般按照正弦波加載，平均速度為2 mm/s。被測阻尼元件需要滿足反復施加設計位移1.2倍位移行程至少5次而不發生破壞。

圖7 E型鋼試驗滯回曲線

如圖7所示為在同濟大學防震減災國家重點實驗室試驗機(FCS-20 000 kN電液伺服協調加載系統)得到的典型E型鋼阻尼性能曲線，可見滯回曲線穩定飽滿。結合圖5的試驗及數值分析可知，E型鋼阻尼器發生塑性變形時，具有飽滿的滯回曲線，阻尼比一般可達到0.35以上，這說明它具有非常好的阻尼性能。

2 工程應用

E型鋼阻尼器既可以單獨使用，也可以并聯后使用，將其安裝在橋梁的橋墩和梁體之間，起到阻尼作用。還可以和常規橋梁支座(如盆式橡膠支座、球型支座等)進行組合，形成具有阻尼功能的支座，使其既具有支座的功能，又具有減震耗能的功能，這種支座就被稱為E型鋼減震阻尼支座，見圖1(a)。E型鋼阻尼器及阻尼支座具有結構形式簡單，便于模數化等優點，近年來已在國內橋梁工程中得到較多應用，下面對于其在國內的部分應用情況進行簡單介紹。

國內利用E型鋼的阻尼性能制作的阻尼器及阻尼支座均于2008年首次應用于南京江心洲夾江大橋上。該工程中E型鋼阻尼器的阻尼力為2 000 kN，設計位移為120 mm，該阻尼器由8塊E型鋼并聯組成，其結構形式見圖1(b)。E型鋼阻尼支座的結構形式見圖1(a)，該支座采用E型鋼和球型支座進行組合，支座豎向承載力25 000 kN，E型鋼的阻尼力為800 kN，設計位移為120 mm。

2009年在常州高架新京杭大橋上使用了8套E型鋼阻尼器，其結構形式如圖8(a)所示。2009年在大瑞線(大理至瑞麗)上使用E型鋼阻尼支座，這是E型鋼阻尼裝置在國內鐵路線路上的首次使用，其結構形式見圖8(b)。2010年在內蒙大城西黃河橋工程中首次使用的雙向阻尼的E型鋼阻尼支座，該支座在活動方向上與速度鎖定器配合使用，既可以在通常情況下實現活動支座在自由方向上的自由活動，又可在地震到來時實現E型鋼阻尼器的阻尼耗能作用。

圖8 應用于南京江心洲夾江大橋的E型鋼阻尼裝置

3 結論

本文介紹了E型鋼阻尼器的設計原則、依據和阻尼特性，探討了 E型鋼阻尼器的選用原則和應用范圍，并給出了近年來E型鋼阻尼器在國內橋梁工程中的應用實例。可見，利用E型鋼阻尼器的阻尼特性進行橋梁工程的減震設計不但有著良好的耗能效果，并且經濟性好，安裝、維護和更換方便，具有廣闊的應用前景。

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